水热法制备纳米磷酸铁锂及其电化学性质研究(2)
将废热转化成电能），以此来利用清洁、可再生能源 [3]
。用于交通工具电气化的先进能源
存储技术和对太阳能、风能等再生能源的有效利用是可再生能源研发的核心，当前人们对
其中某几样技术开展了广泛的研究，如利用生物质能设计生物燃料电池、常温常压下液态
或者固态的储氢技术等。然而，为了满足日益增长的电力需求，需要研发更先进的储能技
术对这些新型能源进行存储。电容器和超级电容器具有高比功率、长寿命和高循环稳定性
的优点，能够满足对快速充放电的需求，但是它们的缺点是比能量太低[4,5]
，电池的比能
量较高，但是比功率较低，循环衰减较大。因此，为了使电池和电容器能够拓宽市场应
用，必须进行相关技术的突破。在本论文中重点关注电池材料技术的研究进展。
尽管电池技术具有一百多年的历史的“老古董”了，但是它在当今许多关键技术领域和
移动电子设备中依旧扮演着十分重要的角色。随着人们对电池研究的深入，各种优异性能
的电池层出不穷，但是电池最基本的结构一直没有改变，即“三明治结构”（正极、负极和
电解质）[6]
。通过对正负极材料以及电解液的研发，具有不同电化学反应的电池技术迅速
发展[7,8]
。图1.1所示是不同电池技术体积能量密度和质量能量密度的对比图[9]
，从中不难
看出，锂离子电池同时具有高功率、高能量密度、长循环寿命以及高稳定性、工作温区
宽、使用寿命长、自放电小、无“记忆效应”、环境友好等诸多优点，因此最近几年在能源
市场上，锂离子电池的商业化进程广受世人关注，尤其是在给小型电子设备（如笔记本电
脑和移动电话等）[10,11]
供能方面更是如此。 锂离子电池和其余电池一样，主要由三个部分组成：正极、负极和电解质，它通过法
拉第反应将化学能转化成电能，该反应过程包括发生在电极表面的异种电荷传输过程
[12]
。与一次电池不同，锂离子电池是二次电池，或者称为可充电电池，充电过程是电能
被转变成化学能[13]
。以正极为 LiMO2，负极为石墨为例，来说明锂离子电池的充电过程
（如图1.2所示）：
正极反应（+）：LiMO2 Li1-xMO2+xLi
在充放电过程中，锂离子通过电解质在正负极之间来回迁移，电解质通常呈液态，如溶解
于有机溶剂（如碳酸乙烯酯等）的 LiPF6。值得注意的是，在电解液中自由电子是不能存
在的，否则会造成短路，自由电子通过外部电路的导线完成半反应过程[20]
。 然而，将锂电池技术应用到汽车上面临的主要挑战是其安全性和环保型问题，因为目
前使用的正极材料是昂贵的 LiCoO2。由 Padhi 等人提出的具有橄榄石结构的磷酸铁锂
（LiFePO4）因其具有许多优点而广受关注。它作为锂离子电池正极材料的一种，它与过渡
金属氧化物型正极材料相比，具有电压平台平坦、比容量高（理论容量 170mA·h/g）、适
中的氧化还原电势（φ （Fe
） =3.45V）原料廉价、结构稳定和环境友好等优点。但是，
由于其电子电导率低(σe=0.1S/m)以及锂离子扩散系数小(DLi+=10-14
cm2
/s)的缺点，使得它大
规模的生产、应用受到限制。目前材料改性的主要方法有碳包覆、金属离子掺杂和制备粒
径和形貌均匀的纳米级颗粒等三种方法[14,15,16-18]
，金属离子掺杂由于在原子尺度上对